Recent advances in crystalline and amorphous particulate protein formulations for controlled delivery

AbstractThe number of particulate delivery systems for biologics is negligible compared to liquid dosage forms, signifying the complications associated with development of solid protein delivery systems. Particulate protein delivery systems can improve stability, reduce viscosity of suspensions at high protein concentration and allow for controlled drug release. This review discusses current advances in controlled delivery of particulate protein formulations. While the focus lies on protein crystals and delivery systems employing protein crystals, amorphous protein particles will also be addressed. Crystallization and precipitations methods and modifications allowing controlled delivery with and without encapsulation are summarized and discussed

The Maximum Capacity of a Line Plan is Inapproximable

We consider a basic subproblem which arises in line planning with upper capacities: How much can be routed maximally along all possible lines? The essence of this problem is the Path Constrained Network Flow (PCN) problem. We explore the complexity of this problem. In particular we show that it is as hard to approximate as MAX CLIQUE. We also show that the PCN problem is hard for special graph classes, interesting both from a complexity and from a practical perspective. Finally, we present a relevant graph class for which there is a polynomial-time algorithm

Methoden der Proteinkristallverabreichung: Erforschung neuer Techniken der Verkapselung und kontrollierter Freisetzung

More and more newly registered drugs are proteins. Although many of them suffer from instabilities in aqueous media, the most common way of protein drug administration still is the injection of a solution. Numerous protein drugs require frequent administration, but suitable controlled release systems for proteins are rare. Chapter 1 presents current advances in the field of controlled delivery of particulate protein formulations. While the main focus lies on batch crystallized proteins, amorphous particulate proteins are also discussed in this work. The reason is that, on the one hand precipitated protein particles hold some of the advantages of crystalline proteins and on the other hand the physical state of the protein may simply be unknown for many drug delivery systems or semi-crystalline particles have been used. Crystallization and precipitations methods as well as controlled delivery methods with and without encapsulation in a polymeric delivery system are summarized and critically discussed. In chapter 2 a novel way of protein crystal encapsulation by electrospinning is introduced. Electrospinning of proteins has been shown to be challenging via the use of organic solvents, frequently resulting in protein unfolding or aggregation. Encapsulation of protein crystals represents an attractive but largely unexplored alternative to established protein encapsulation techniques because of increased thermodynamic stability and improved solvent resistance of the crystalline state. We herein explore the electrospinning of protein crystal suspensions and establish basic design principles for this novel type of protein delivery system. Poly-ε-caprolactone (PCL) is an excellent polymer for electrospinning and matrix-controlled drug delivery combining optimal processability and good biocompatibility. PCL was deployed as a matrix, and lysozyme was used as a crystallizing model protein. By rational combination of lysozyme crystals with a diameter of 0.7 or 2.1 μm and a PCL fiber diameter between 1.6 and 10 μm, release within the first 24 h could be varied between approximately 10 and 100%. Lysozyme loading of PCL microfibers between 0.5 and 5% was achieved without affecting processability. While relative release was unaffected by loading percentage, the amount of lysozyme released could be tailored. PCL was blended with poly(ethylene glycol) and poly(lactic-co-glycolic acid) to further modify the release rate. Under optimized conditions, an almost constant lysozyme release over 11 weeks was achieved. Chapter 3 takes on the findings made in chapter 2 and further modifies the properties of the nonwovens as protein crystal delivery system. Nonwoven scaffolds consisting of poly-ε-caprolactone (PCL), poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) and polidocanol (PD), and loaded with lysozyme crystals were prepared by electrospinning. The composition of the matrix was varied and the effect of PD content in binary mixtures, and of PD and PLGA content in ternary mixtures regarding processability, fiber morphology, water sorption, swelling and drug release was studied. Binary PCL/PD blend nonwovens showed a PD-dependent increase in swelling of up to 30% and of lysozyme burst release of up to 45% associated with changes of the fiber morphology. Furthermore, addition of free PD to the release medium resulted in a significant increase of lysozyme burst release from pure PCL nonwovens from approximately 2% to 35%. Using ternary PCL/PD/PLGA blends, matrix degradation could be significantly improved over PCL/PD blends, resulting in a biphasic release of lysozyme with constant release over 9 weeks, followed by constant release with a reduced rate over additional 4 weeks. Based on these results, protein release from PCL scaffolds is improved by blending with PD due to improved lysozyme desorption from the polymer surface and PD-dependent matrix swelling. Chapter 4 gives deeper insight on lysozyme batch crystallization and shows the influences of the temperature on the precipitation excipients. Yet up to now protein crystallization in a pharmaceutical useful scale displays a challenge with crystal size and purity being important but difficult to control parameters. Some of these influences are being discussed here and a detailed description of crystallization methods and the achieved crystals are demonstrated. Therapeutic use of such protein crystals may require further modification of the protein release rate through encapsulation. Silk fibroin (SF) harvested from the cocoons of Bombyx mori is a well-established protein suitable for encapsulation of small molecules as well as proteins for controlled drug delivery. This novel polymer was deployed for as carrier for the model drug crystals. Lysozyme again was used as a crystallizable protein and the effect of process- as well as formulation parameters of batch crystallization on crystal size were investigated using statistical design of experiments. Lysozyme crystal size depended on temperature and sodium chloride and poly(ethylenglycol) concentration of precipitant solution. Under optimized conditions, lysozyme crystals in a size range of approximately 0.3 to 10 µm were obtained. Furthermore, a solid-in-oil-in-water process for encapsulation of lysozyme crystals into SF was developed. Using this process, coating of protein crystals with another protein was achieved for the first time. Encapsulation resulted in a significant reduction of dissolution rate of lysozyme crystals, leading to prolonged release over up to 24 hours.Immer mehr neu zugelassene Arzneimittel sind Proteine. Obwohl viele von ihnen in wässrigen Milieus sehr instabil sind, werden die meisten Proteine immer noch als Parenteralia formuliert. Kontrollierte Freisetzungssysteme sind selten, und das obwohl zahlreiche Proteine regelmäßig verabreicht werden müssen. Kapitel 1 befasst sich mit den aktuellen Fortschritten im Bereich der kontrollierten Darreichungsformen für Proteinpartikel. Das Hauptaugenmerk liegt klar auf den „batch“ kristallisierten Proteinen, aber auch allgemeine ‚amorphe‘ Proteinpartikel werden diskutiert. Das liegt daran, dass zum einen präzipitierte Proteinpartikel ebenfalls einige Vorteile der Proteinkristalle haben und zum anderen wurde in einigen Fällen der physikalische Zustand der Proteine nicht bestimmt oder es wurden zumindest semi-kristalline Proteinpartikel verwendet. In diesem Kapitel werden Kristallisations- und Präzipitationsmethoden sowie kontrollierte Freisetzungssysteme mit und ohne vorherige Einbettung in ein Polymersystem zusammengefasst und kritisch diskutiert. Kapitel 2 stellt eine neue Methode der Proteinkristalleinbettung durch Electrospinning vor. Electrospinning von Proteinen hat sich aufgrund des häufigen Einsatzes von organischen Lösemitteln als schwierig heraus gestellt und führt häufig zum Entfalten oder Denaturieren des Proteins. Aufgrund höherer thermodynamischer Stabilität und verbesserter Kompatibilität mit organischen Lösemitteln haben sich Proteinkristalle hier als attraktive wenngleich bisher ziemlich unbeachtete Alternative heraus gestellt. In diesem Kapitel wird das das Electrospinning von Proteinkristallsuspensionen erforscht und grundlegende Bedingungen für diese neuartige Art der Proteinverkapselung etabliert. Poly-ε-caprolacton (PCL) eignet sich hervorragend für das Electrospinning und zeichnet sich durch matrixkontrollierte Freisetzung, einfache Handhabbarkeit sowie gute Biokompatibilität aus. PCL wurde als Matrix und Lysozym als Modelprotein eingesetzt. Mittels Kombination zweier Lysozymkristalldurchmesser, 0,7 oder 2,1 µm, und der Variation des PCL-Fadendurchmessers zwischen 1,6 und 10 µm konnte die Initialfreisetzung innerhalb der ersten 24 Stunden zwischen ca. 10 und 100 % modifiziert werden. Die Beladung der PCL Mikrofäden mit Lysozym zwischen 0,5 und 5 % konnte ohne Beeinträchtigung des Herstellungsprozesses erreicht werden. Hierdurch konnte die gesamt freigesetzte Menge an Lysozym variiert werden, während die relative freigesetzte Menge konstant blieb. Um weitere Modifikationen an der Freisetzungsrate vorzunehmen, wurden Poly(ethylen glycol) und Poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) dem PCL beigemischt. Dadurch konnte unter optimierten Bedingungen eine Freisetzungsdauer von über 11 Wochen erreicht werden. Kapitel 3 greift die Entdeckungen des zweiten Kapitels auf und nimmt weitere Modifikationen an den Fasermatten vor. Die mit Proteinkristallen beladenen Fasermatten wurden wieder durch Electrospinning hergestellt und bestehen aus PCL, PLGA und Polidocanol (PD). Die Zusammensetzung der Matrix wurde variiert und die Auswirkungen des PD-Gehalts in binären Mischung, sowie des PD- und PLGA-Gehalts in ternären Mischsystemen auf die Verarbeitbarkeit, Fadenmorphologie, Wassersorption, Quellung und Wirkstofffreisetzung untersucht. Binäre Fasermatten aus einer Mischung aus PCL/PD zeigten PD-abhängige Zunahme der Quellung von bis zu 30 % und eine Zunahme der Initialfreisetzung von bis 45 %. Dieser Anstiege werden einer Veränderung der Fasermorphologie zugeschrieben. Das Hinzufügen von freiem PD zum Freisetzungsmedium von reinen PCL Fasermatten führte zu einer Zunahme der Initialfreisetzung von ca. 2 % auf etwa 35 %. Durch den Einsatz von ternären Mischsystem, bestehend aus PCL/PD/PLGA, kam es zu einem signifikant erhöhten Matrixabbau gegenüber den PCL/PD Mischungen. Das führte wiederrum zu einem zweiphasigen Freisetzungsverhalten, das durch eine konstante Freisetzungsrate innerhalb von 9 Wochen, sowie eine anschließende langsamere, ebenfalls konstante Freisetzung über weitere 4 Wochen gekennzeichnet war. Aufgrund dieser Ergebnisse kann gesagt werden, dass die Proteinfreisetzung aus PCL Matrices durch das Hinzufügen von PD aufgrund von verbesserter Lysozymdesorption vom Polymer sowie PD-abhängiger Matrixquellung verbessert werden konnte. Kapitel 4 bringt tiefere Erkenntnisse bezüglich der Lysozym Batchkristallisation und zeigt den Einfluss der Temperatur auf die verwendeten Fällungsreagenzien. Bis heute stellt die Kristallisation von Proteinen in einem pharmazeutisch sinnvollen Maßstab eine Herausforderung dar, wobei die Kristallgröße und die Reinheit wichtige und dennoch schwer kontrollierbare Parameter sind. Einige dieser Einflüsse werden hier näher beleuchtet und Kristallisationsmethoden sowie die erhaltenen Kristalle näher beschrieben. Lysozym wurde erneut als kristallisierbares Protein eingesetzt und die Einflüsse der Prozess- sowie Formulierungsparameter der Batch-Kristallisation mit Hilfe von statistischen Experimentendesigns (Design of Experiment, DoE) untersucht. Die Kristallgröße wurde durch die Temperatur sowie die Natriumchlorid- und Poly(ethylenglycol)konzentration der Fällungslösung bestimmt. Unter kontrollierten Bedingungen konnten Kristallgrößen in einem Bereich zwischen ca. 0.3 bis 10 µm erreicht werden. Darüber hinaus wurde ein „solid-in-oil-in-water“ (Feststoff-in-Öl-in-Wasser) Verfahren entwickelt mit dem Lysozymkristalle in Seidenfibroin eingebettet werden konnten. Mit Hilfe dieses Verfahrens wurden erstmals Proteinkristalle mit einem anderen Protein überzogen. Diese Einbettung brachte eine signifikante Auflösungsverzögerung mit einer verlängerten Freisetzung über 24 Stunden

Controlled Protein Delivery from Electrospun Non-Wovens: Novel Combination of Protein Crystals and a Biodegradable Release Matrix

Poly-ε-caprolactone (PCL) is an excellent polymer for electrospinning and matrix-controlled drug delivery combining optimal processability and good biocompatibility. Electrospinning of proteins has been shown to be challenging via the use of organic solvents, frequently resulting in protein unfolding or aggregation. Encapsulation of protein crystals represents an attractive but largely unexplored alternative to established protein encapsulation techniques because of increased thermodynamic stability and improved solvent resistance of the crystalline state. We herein explore the electrospinning of protein crystal suspensions and establish basic design principles for this novel type of protein delivery system. PCL was deployed as a matrix, and lysozyme was used as a crystallizing model protein. By rational combination of lysozyme crystals 0.7 or 2.1 μm in diameter and a PCL fiber diameter between 1.6 and 10 μm, release within the first 24 h could be varied between approximately 10 and 100%. Lysozyme loading of PCL microfibers between 0.5 and 5% was achieved without affecting processability. While relative release was unaffected by loading percentage, the amount of lysozyme released could be tailored. PCL was blended with poly­(ethylene glycol) and poly­(lactic-<i>co</i>-glycolic acid) to further modify the release rate. Under optimized conditions, an almost constant lysozyme release over 11 weeks was achieved

Additive genetic variance and covariance between relatives in synthetic wheat crosses with variable parental ploidy levels

Cultivated bread wheat (Triticum aestivum L.) is an allohexaploid species resulting from the natural hybridization and chromosome doubling of allotetraploid durum wheat (T. turgidum) and a diploid goatgrass Aegilops tauschii Coss (Ae. tauschii). Synthetic hexaploid wheat (SHW) was developed through the interspecific hybridization of Ae. tauschii and T. turgidum, and then crossed to T. aestivum to produce synthetic hexaploid wheat derivatives (SHWDs). Owing to this founding variability, one may infer that the genetic variances of native wild populations vs improved wheat may vary due to their differential origin and evolutionary history. In this study, we partitioned the additive variance of SHW and SHWD with respect to their breed origin by fitting a hierarchical Bayesian model with heterogeneous covariance structure for breeding values to estimate variance components for each breed category, and segregation variance. Two data sets were used to test the proposed hierarchical Bayesian model, one from a multi-year multi-location field trial of SHWD and the other comprising the two species of SHW. For the SHWD, the Bayesian estimates of additive variances of grain yield from each breed category were similar for T. turgidum and Ae. tauschii, but smaller for T. aestivum. Segregation variances between Ae. tauschii-T. aestivum and T. turgidum-T. aestivum populations explained a sizable proportion of the phenotypic variance. Bayesian additive variance components and the Best Linear Unbiased Predictors (BLUPs) estimated by two well-known software programs were similar for multi-breed origin and for the sum of the breeding values by origin for both data sets. Our results support the suitability of models with heterogeneous additive genetic variances to predict breeding values in wheat crosses with variable ploidy levels.Fil: Puhl, Laura Elena. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Agronomía; ArgentinaFil: Crossa, José. Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo; MéxicoFil: Munilla Leguizamon, Sebastian. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Unidad Ejecutora de Investigaciones en Producción Animal. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Veterinarias. Unidad Ejecutora de Investigaciones en Producción Animal; ArgentinaFil: Pérez Rodríguez, Paulino. Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo; MéxicoFil: Cantet, Rodolfo Juan Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Parque Centenario. Unidad Ejecutora de Investigaciones en Producción Animal. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Veterinarias. Unidad Ejecutora de Investigaciones en Producción Animal; Argentin

Anwendung von Wearables zur Gefährdungsbeurteilung sowie Arbeitsumfeldbewertung in unterschiedlichen Tätigkeitsfeldern

Die nutzerorientierte Arbeitsplatzgestaltung der Zukunft erfordert auf Grund großer Diversität von Tätigkeitsfeldern sowie individuell geprägten Voraussetzungen jedes Arbeitnehmers die exklusiv auf jede Person angepasste Bewertung von psychischen und physischen Beanspruchungslagen. Als Grundlage dafür dienen in den vorliegenden Untersuchungen die in der Gesellschaft mittlerweile weit verbreitete Wearables. Diese erfassen Vitaldaten in Echtzeit, welche anschließend in einer eigens entwickelten Applikation unter Einhaltung der geltenden Datenschutzvorgaben verarbeitet werden. Über diese Daten sind, wie die in Durchführung befindlichen Versuche zeigen, Rückschlüsse auf physischer und psychischer Fehlbeanspruchungen des Nutzers möglich. Weiterhin werden mittels maschinellen Lernens erstellte Trendauswertungen, beispielsweise zur Darstellung von Erholungsfähigkeit oder vitaler Arbeitsfähigkeit, dargestellt. So wird der Arbeitnehmer im Bereich der Gesundheitskompetenz sensibilisiert und kann somit das persönliche Wohlbefinden steigern. Weiterhin können Vorgesetzte oder Arbeits- bzw. Prozessplaner pseudonymisierte und anonymisierte Gruppenauswertungen, beispielweise aus einer Abteilung, einsehen. Durch resultierende prospektive Arbeitsgestaltung können lern- und persönlichkeitsförderliche Arbeitsbedingungen gestaltet aber auch die Motivation für Leistung und Lernen erhöht werden

Endothelial damage inhibitor preserves the integrity of venous endothelial cells from patients undergoing coronary bypass surgery

OBJECTIVES: Despite the success of coronary artery bypass graft (CABG) surgery using autologous saphenous vein grafts (SVGs), nearly 50% of patients experience vein graft disease within 10 years of surgery. One contributing factor to early vein graft disease is endothelial damage during short-term storage of SVGs in inappropriate solutions. Our aim was to evaluate the effects of a novel endothelial damage inhibitor (EDI) solution, DuraGraft®, on SVGs from patients undergoing elective CABG surgery and on venous endothelial cells (VECs) derived from these SVGs. METHODS: SVGs from 11 patients from an ongoing clinical registry (NCT02922088) were included in this study, and incubated with both full electrolyte solution (FES) or EDI for 1 h and then examined histologically. In 8 of 11 patients, VECs were isolated from untreated grafts, incubated with both FES and EDI for 2 h under hypothermic stress conditions, and then analyzed for activation of an inflammatory phenotype, cell damage and cytotoxicity, as well as endothelial integrity and barrier function. RESULTS: EDI was superior to FES in protecting the endothelium in SVGs (74 ± 8% versus 56 ± 8%, p < 0.001). Besides confirming that EDI prevents apoptosis in SVG-derived VECs, we also showed that EDI temporarily reduces adherens junctions in VECs while protecting focal adhesions compared to FES. CONCLUSIONS: EDI protects the connectivity and function of the SVG endothelium. Our data suggest that EDI can preserve focal adhesions in VECs during short-term storage after graft harvesting. This might explain the superiority of EDI in maintaining most of the endothelium in venous CABG surgery conduits